TY - CONF A1 - Artinov, Antoni A1 - Bachmann, Marcel A1 - Rethmeier, Michael A1 - Karkhin, V. T1 - Mathematical modeling of the geometrical differences between the weld end crater and the steady-state weld pool N2 - The geometrical characteristics of the weld end crater are commonly used for the validation of numerical results in welding simulation. A semi-analytical model calculating the cooling stage of the welding process after the moving energy source is turned off has been developed. A solution for various combinations of heat sources and workpieces has been found. The theoretical limits for the heat transfer of the absorbed energy during cooling in a thin plate and a semi-infinite body were studied. It is shown that after turning off the energy source, an additional melting of the base material in longitudinal direction may occur. The developed technique is applied to complete-penetration keyhole laser beam welding of a 2 mm thick austenitic chromium-nickel 316L steel plate at a welding speed of 20 mm/s and a laser power of 2.3 kW. The results show a theoretical increase of the weld end crater length in comparison to the length of the steady-state weld pool of up to 19 %. A shift of the centre of the end crater, in which the solidification of the liquid metal ends, towards the tail of the end crater relative to the axis of the heat source at the time of its termination, was computed. The speed and the direction of crystallization of the molten material in the weld pool and the end crater were found to be different. A good agreement between the computational results and the welding experiments was achieved. T2 - ICALEO 2019 - The International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics CY - Orlando, FL, USA DA - 07.10.2019 KW - Keyhole mode welding KW - Weld pool shape KW - End-crater KW - Heat conduction PY - 2019 AN - OPUS4-49341 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - RPRT A1 - Bachmann, Marcel A1 - Rethmeier, Michael T1 - Gekoppelte numerische Untersuchung der Bildung von Mittelrippendefekten beim Hochleistungslaserstrahlschweißen N2 - Die Entstehung von Erstarrungsrissen stellt ein in der Schweißtechnik lange bekanntes Problem dar. Diese prozessseitige Herausforderung ist selbst nach dem heutigen Wissenstand schwer zu beherrschen und gefährdet die Sicherheit der gefügten Bauteile. Dieses Problem erweist sich als besonders schwierig beim einlagigen Hochleistungslaserstrahlschweißen von Metallteilen hoher Blechstärke, welche eine essentielle Rolle in vielerlei industriellen Anwendungen spielen. Gegenstand des hier bearbeiteten Forschungsprojekts war die numerische Untersuchung der Entstehungsmechanismen des Mittelrippendefekts beim Laserstrahlschweißen niedriglegierter Stähle. Mittels mehrerer gekoppelter Simulationen, für welche sowohl kommerziellen Softwares, wie COMSOL Multiphysics und ANSYS, als auch in-house entwickelte Programme eingesetzt worden sind, wurden die am stärksten ausgeprägten Mechanismen der Erstarrungsrissbildung und deren Zusammenspiel aufgeklärt. Begleitend zur Simulation wurden mehrere experimentelle Untersuchungen für den niedriglegierten Baustahl S355 an den Blechdicken 12 mm und 15 mm zu deren Validierung durchgeführt. Die Ergebnisse der Simulation des Kristallwachstums, der Diffusion und der Makroseigerung von Schwefel zeigen, dass die Risse für bestimmte Werkstoffe mit einer hohen Konzentration an Verunreinigungen hauptsächlich metallurgisch bedingt entstehen können. Allerdings zeigte die Untersuchung des Einflusses der Ausbauchung (Bulging) im Mittenbereich der Schweißnaht auf das transiente Temperaturfeld und die transienten Transversalspannungen im risskritischen Bereich auch, dass die Rissbildung nicht nur metallurgisch bedingt und insbesondere auch für aus metallurgischer Sicht eigentlich rissunkritische Materialien auftreten kann. Der Bulging-Bereich hat sich in der Untersuchung als besonders kritisch in allen Teilen der Simulationskette gezeigt. Die Einflüsse dieser geometrischen Besonderheit konnten bei allen physikalischen Teilaspekten der Problematik als heißrissinduzierend identifiziert werden. Von besonderer Bedeutung wird an dieser Stelle das erkannte Zusammenspiel dieser Einflüsse hervorgehoben. Bisher wurde die Bildung der Erstarrungsrisse hauptsächlich durch einen einzelnen physikalischen Aspekt, wie z.B. rein metallurgisch oder rein thermomechanisch bedingt, isoliert betrachtet. Die gewonnen Erkenntnisse über die Einflüsse des Bulgings auf die unterschiedlichen Teilaspekte zeigen deutlich, dass alle Entstehungsmechanismen auch die Schmelzbadgeometrie als Ursprung haben. Von dieser hängen die transienten Temperatur- und Spannungsfelder, die Kristallwachsrichtung, die Erstarrungsgeschwindigkeit und die Konzentration von Verunreinigungen, welche zur Entstehung von niedrigschmelzenden Phasen führt, ab. Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens sind vielfach in referierten Zeitschriften und auf Fachtagungen veröffentlicht worden. Hervorzuheben dabei ist der „Best Presentation Award“ auf der LANE Conference 2018 in Fürth, wodurch die Thematik einem breiten Publikum bekannt gemacht werden konnte. KW - Laserstrahlschweißen KW - Mittelrippendefekt KW - Simulation PY - 2019 SP - 1 EP - 14 AN - OPUS4-49516 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Häberle, Nicolas A1 - Pittner, Andreas T1 - Numerische Heissrissprognose in photonischen Prozessketten - Ein Zwischenbericht N2 - Der Vortrag gibt einen Überblick über Arbeiten im Rahmen der Themenstellung "photonische Prozessketten" des SimCoLas Projekts. Es werden Ergebnisse zur Datendurchgängigkeit der Prozesskette Umformen/Laserstrahlschweißen sowie erste Ergebnisse zu numerischen Schweißstruktursimulationen zur Bewertung der Heissrisskritikalität eines tiefgezogenen Napfes beim Laserstrahlschweißen gegeben. T2 - Projekttreffen des SimCoLas Verbundprojekts im Februar 2019 CY - Wolfsburg, Germany DA - 14.02.2019 KW - Laserstrahlschweißen KW - Numerische Simulation KW - Prozesskette KW - SimCoLas PY - 2019 AN - OPUS4-50031 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Häberle, Nicolas A1 - Pittner, Andreas A1 - Rethmeier, Michael T1 - Abschlusspräsentation SimCoLas Verbundprojekt -- Arbeitspakete BAM N2 - Die Präsentation gibt einen Überblick bezüglich der von der BAM im Rahmen des SimCoLas Verbundprojekts durchgeführten Arbeiten zum Thema "Photonische Prozessketten". Die numerisch abgebildete Prozesskette Tiefziehen/Laserstrahlschweißen wird darsgestellt und diskutiert. Fokus der Diskussion ist die entwickelte Methodik zur konsistenten Abbildung numerischer Prozessketten mit der Applikation Heissrisskritikalität beim Laserstrahlschweißen. T2 - Verbundprojekt SimCoLas Abschlusstreffen CY - Robert Bosch GmbH Corporate Research Centre, Renningen bei Stuttgart, Germany DA - 13.06.2019 KW - Laserstrahlschweißen KW - Heissrisse KW - Prozesskette PY - 2019 AN - OPUS4-50033 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Meng, Xiangmeng A1 - Rethmeier, Michael A1 - Bachmann, Marcel T1 - Controlling the transport phenomena of filler wire in laser beam welding by magnetohydrodynamics: a theoretical and experimental study N2 - The deep penetration laser beam welding (LBW) has developed to one of the most promising metal joining methods in the modern manufacturing industry. It has well-known advantages of good penetration capacity, low heat input, high reachable welding speed and low welding distortion in comparison to conventional arc welding techniques. However, there are still challenges in LBW making the realization of the advantages difficult, such as porosity or inhomogeneous element distribution when using filler material. The magnetohydrodynamics technique is a promising way to solve these issues by introducing a suitable electromagnetic field, and correspondingly Lorentz force, to control the Transport phenomena in the weld pool. The underlying physics in wire feed laser beam welding with electromagnetic stirring were investigated numerically and experimentally. A three-dimensional transient heat transfer and fluid flow model coupled with dynamic keyhole, magnetic induction and element transport was developed for the first time. The electromagnetic behaviour as well as the temperature and velocity profiles, solidification parameters, keyhole evolution and element transport are calculated. The model is well tested against the experimental results. The beneficial effects from electromagnetic stirring (element homogenization and grain refinement) are explained quantitatively using the numerical data and the results from high-speed imaging, OM, EDX and EBSD. T2 - Adolf Martens Fellowship Colloquium CY - Berlin, Germany DA - 12.12.2019 KW - Laser beam welding KW - MHD PY - 2019 AN - OPUS4-50079 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Fritzsche, André T1 - Influence of Welding Parameters on Electromagnetic Supported Degassing of Die-Cadted and Wrought Aluminium N2 - Laser beam welding of aluminum die casting is challenging. A large quantity of gases (in particular hydrogen) is absorbed by aluminum during the die-cast manufacturing process and is contained in the base material in solved or bound form. After re-melting by the laser, the gases are released and are present in the melt as pores. Many of these metallurgic pores remain in the weld seam as a result of the high solidification velocities. The natural (Archimedean) buoyancy is not sufficient to remove the pores from the weld pool leading to process instabilities and poor mechanical properties of the weld. Therefore, an electromagnetic (EM) system is used to apply an additional buoyancy component to the pores. The physical mechanism is based on the generation of Lorentz forces, whereby an electromagnetic pressure is introduced into the weld pool. The EM system exploits the difference in electrical conductivity between poorly conducting pores (inclusions) and the comparatively better conducting aluminum melt to increase the resulting buoyancy velocity of the pores. Within the present study, the electromagnetic supported degassing is investigated in dependence on the laser beam power, welding velocity and electromagnetic flux density. By means of a design of experiments a systematic variation of these parameters is carried out for partial penetration laser beam welding of 6 mm thick sheets of wrought aluminum alloy AlMg3 and die-cast aluminum alloy AlSi12(Fe) where the wrought alloy serves as a reference. The proportion of pores in the weld seams is determined using X-ray images, computed tomography (CT-) images and cross-section images. The results prove a significant reduction of the porosity up to 70 % for both materials as a function of the magnetic flux density T2 - 38th International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics CY - Orlando, FL, USA DA - 07.10.2019 KW - AISI D2 KW - Laser implantation KW - Surface texturing KW - TiB2 PY - 2019 AN - OPUS4-50010 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Biegler, M. A1 - Wang, J. A1 - Graf, B. A1 - Rethmeier, Michael T1 - Automated tool-path generation for rapid manufacturing and numerical simulation of additive manufacturing LMD geometries N2 - In additive manufacturing (AM) Laser Metal Deposition (LMD), parts are built by welding layers of powder feedstock onto a substrate. Applications for steel powders include forging tools and structural components for various industries. For large parts, the choice of tool-paths influences the build-rate, the part performance and the distortions in a highly geometry-dependent manner. With weld-path lengths in the range of hundreds of meters, a reliable, automated tool path generation is essential for the usability of LMD processes. In this contribution, automated tool-path generation approaches are shown and their results are discussed for arbitrary geometries. The investigated path strategies are the classical approaches: “Zig-zag-” and “contour-parallel-strategies”. After generation, the tool-paths are automatically formatted into g-code for experimental build-up and ASCII for a numerical simulation model. Finally, the tool paths are discussed in regards to volume-fill, microstructure and porosity for the experimental samples. This work presents a part of the IGF project 18737N “Welding distortion simulation” (FOSTA P1140) T2 - 4th European Steel Technology and Application Days CY - Dusseldorf, Germany DA - 24.06.2019 KW - Additive manufacturing KW - Directed Energy Deposition KW - Path planning KW - DED KW - Mechanical properties KW - Porosity PY - 2019 SP - 1 AN - OPUS4-50045 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - El-Sari, B. A1 - Biegler, M. A1 - Graf, B. A1 - Rethmeier, Michael T1 - Numerische Simulation einer AM-Prozesskette im DED Auftragschweißen N2 - Das DED Auftragschweißen ist ein additives Fertigungsverfahren für Metalle, bei dem das Material schichtweise auf ein Substrat aufgetragen wird. Die schnellen Temperaturzyklen rufen Spannungsgradienten im Bauteil hervor. Der schichtweise Aufbau der Bauteile verursacht eine anisotrope Mikrostruktur. Mittels nachgelagerter Wärmebehandlung können diese Effekte verringert werden. Im anschließenden Schritt der Prozesskette wird das additiv hergestellte Bauteil mittels Drahterodieren von dem Substrat abgetrennt. In diesem Beitrag wird eine thermo-mechanische Simulation der gesamten Prozesskette vorgestellt, welche den additiven Aufbau, Wärmebehandlung und das Abtrennen vom Substrat beinhaltet. Anstelle der in der Literatur üblichen schichtweisen Modellierungsstrategie für die DED Simulation wird das gesamte Bauteil in einem Stück vernetzt und der vollständig transiente, schichtweise Materialauftrag über Elementgruppen realisiert. Im Gegensatz zu früheren Simulationen muss der nichtlineare Kontakt zwischen den Schichten nicht berücksichtigt werden, was die Rechenzeiten deutlich verkürzt. Das Modell wurde validiert mittels Abgleiches des Verzugs aus Simulation und Experiment. Die Proben, bestehend aus DIN 1.4404 (AISI 316L), wurden nach jedem Prozessschritt 3D gescannt um den Verzug zu quantifizieren. Zusätzlich wurden Querschnitte und Härtetests nach Vickers von unterschiedlich behandelten Proben durchgeführt, um den Effekt der Wärmebehandlung auf die Mikrostruktur und die Härte des Bauteils zu untersuchen. T2 - 20. Roundtable Simulating Manufacturing CY - Marburg, Germany DA - 22.05.2019 KW - Numerische ISmulation KW - DED KW - AM KW - Laser-Pulver-Auftragschweißen PY - 2019 SP - 1 EP - 14 AN - OPUS4-50046 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Artinov, Antoni A1 - Karkhin, Victor T1 - Геометрические различия между кратером шва и сварочной ванной T1 - Geometric differences between end crater and weld pool N2 - Приведено аналитическое решение задачи теплопроводности после прекращения действия подвижного источника теплоты для различных комбинаций источника и свариваемого тела. Показано, что после выключения источника возможно дополнительное плавление основного металла за счет перегретого жидкого металла сварочной ванны. Например, при лазерной сварке со сквозным проплавлением стальной пластины толщиной 2 мм длина кратера шва может быт на 19% больше установившейся длины сварочной ванны. Установлено, что центр кратера, в котором заканчивается затвердевание жидкого металла, смещен в сторону хвостовой части кратера относительно оси теплового источника в момент прекращения его действия. Скорость и направление кристаллизации металла сварочной ванны и кратера различны. N2 - A functional-analytical solution of the problem of heat conduction after the moment of switch-off of the moving heat source is presented. Different combinations of heat sources and heated bodies are considered. It is demonstrated that an additional melting of the base metal is possible after the switch-off due to the overheated weld pool metal. For example, in laser beam keyhole welding of a 2 mm thick steel plate, the crater can be 19% longer than the weld pool. It is found that the crater centre, where the solidification of the liquid metal ends, is displaced from the heat source axis at the moment of switch-off towards the weld pool tail. The rate and the direction of crystallization of the molten metal in the weld pool and the end crater differ significantly. KW - сварочная ванна KW - кратер шва KW - плавление, KW - кристаллизация, KW - температурное поле KW - функция теплонасыщения KW - Weld pool KW - End crater KW - Melting KW - Solidification KW - Temperature field KW - Heat saturation function PY - 2019 SN - 2071-5234 SP - 19 EP - 23 PB - National Agency for Control and Welding CY - Moscow AN - OPUS4-50289 LA - rus AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Artinov, Antoni A1 - Karkhin, Victor A1 - Bachmann, Marcel A1 - Khomich, Pavel A1 - Rethmeier, Michael T1 - МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ И ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКЕ СО СКВОЗНЫМ ПРОПЛАВЛЕНИЕМ N2 - Разработана модель физических процессов при сварке плавлением на основе концепции эквивалентных источников теплоты. Модель включает в себя две части: термогидродинамику сварочной ванны и теплопроводность свариваемого тела вне ванны. В задаче термогидродинамики учитываются температурные зависимости свойств материала, форма парогазового канала, термокапиллярная и естественная конвекция, фазовые превращения и другие физические явления.Приведено решение задачи термогидродинамики методом конечных элементов на примере сварки стальной пластины толщиной 15 мм со сквозным проплавлением лазерным лучом (по технологии "замочная скважина"). Показано, что термокапиллярная конвекция жидкого металла является основной причиной сложной выпукло-вогнутой формы границы ванны с увеличенными размерами в приповерхностных областях. Получено удовлетворительное совпадение расчетных и экспериментальных размеров сварочной ванны. KW - ЛАЗЕРНАЯ СВАРКА KW - СВАРОЧНАЯ ВАННА KW - ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ KW - ГИДРОДИНАМИКА KW - КОНВЕКЦИЯ KW - ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ KW - ТЕМПЕРАТУРНОЕ ПОЛЕ KW - МЕТОД КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ PY - 2020 SN - 0491-6441 SP - 58 EP - 69 AN - OPUS4-50290 LA - rus AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -